способ биологической обработки концентрированных органических субстратов с получением удобрений, газообразного энергоносителя и технической воды и устройство для его реализации

Формула изобретения

1. Способ биологической обработки концентрированных органических субстратов с получением удобрений, газообразного энергоносителя и технической воды, согласно которому исходный субстрат подвергают предварительной аэробной обработке с получением гидролизованного и нагретого промежуточного субстрата и кислородосодержащих газообразных продуктов, промежуточный субстрат подвергают анаэробной обработке с получением биогаза и обработанного субстрата (эффлюента), причем эффлюент подвергают разделению на фракции, отличающийся тем, что жидкую фракцию подвергают дополнительной аэробной обработке, выделяющуюся при этом тепловую энергию используют для стабилизации температурного режима предварительной аэробной обработки, кислородосодержащие газообразные продукты вводят в аэрируемый объем жидкой фракции, а сгущенную фракцию используют для приготовления удобрений.

2. Устройство для биологической обработки концентрированных органических субстратов с получением удобрений, газообразного энергоносителя и технической воды, состоящее из гидравлически связанных друг с другом аэробного биореактора, анаэробного биореактора-метантенка, механического сгустителя, отличающееся тем, что устройство дополнительно оснащено аэротенком и смесителем для приготовления удобрений, аэробный биореактор, по крайней мере, частично размещен в аэрируемом рабочем пространстве аэротенка, связанном с жидкостной частью механического сгустителя и газовой частью аэробного биореактора, причем сгустительная часть механического сгустителя и газовое пространство аэротенка связаны со смесителем для приготовления удобрений.

Описание изобретения к патенту

Предлагаемое изобретение относится к области утилизации концентрированных органических субстратов, пригодных к дальнейшему использованию в условиях производств - их источников или в смежных областях.

Источниками таких субстратов могут быть предприятия агропромышленного комплекса - животноводческие и птицеводческие комплексы (бесподстилочный навоз, помет), перерабатывающие предприятия. При этом субстратами могут выступать осадки локальных очистных сооружений, последрожжевая барда. В жилищно-коммунальном хозяйстве такими субстратами являются избыточный активный ил, осадки городских очистных сооружений.

Способ применим к субстратам с влажностью 90-96% с содержанием органического вещества не менее 20 кг/м³.

К известным техническим решениям такого назначения следует отнести технологические схемы с анаэробными биореакторами-метантенками, широко применяющиеся на практике при обезвреживании осадков городских очистных сооружений (Яковлев С.В., Воронов Ю.В. Водоотведение и очистка сточных вод. М.: АСВ, 2004 г., с.466), бесподстилочного навоза и помета (Ковалев Н.Г., Глазков И.К. Проектирование систем утилизации навоза на комплексах. М.: ВО «Агропромиздат», 1989, с.104).

Основным недостатком данной технологии является высокий уровень капитальных вложений, обусловленный необходимостью удержания определенного количества биомассы в метантенке при сравнительно низкой скорости ее прироста.

Наличие в исходном субстрате значительного количества средне- и крупнодисперсных частиц требует дополнительного времени на их гидролиз и ацидофикацию, которые являются необходимыми стадиями анаэробной обработки с использованием метаногенной микрофлоры.

Часть энергии органического вещества, перешедшей в биогаз (метан), расходуется на нагрев исходного субстрата до рабочих температур (33-37°С для мезофильного и 52-57°С для термофильного режимов). Доля такой энергии может достигать 50-70% от производимой.

Известны способы и устройства в известной степени лишенные указанных недостатков.

Согласно патенту WО 2004035491, C02F 11/02, исходный субстрат обрабатывается сначала в метантенке с получением биогаза, который сжигается затем в двигателе внутреннего сгорания когенерационной установки с целью получения электрической энергии. Тепловая энергия, отводимая от ДВС, используется для нагрева исходного субстрата до рабочей температуры.

Часть биоразлагаемого органического вещества, не переработанного в метантенке, подвергается дополнительной аэробной обработке в аппарате с аэробной микрофлорой, при этом достигается дополнительная стабилизация обработанного субстрата (эффлюента) и происходит выделение тепловой энергии (до 13 МДж на 1 кг поглощенного кислорода). Нагретый до температуры 50-60°С эффлюент используется как теплоноситель, в известной степени заменяющий теплоноситель, подаваемый из ДВС, который в данном техническом решении может быть направлен на другие нужды.

Недостатком данной схемы являются отсутствие стадии предварительной обработки (гидролиза), введение которой существенно интенсифицирует метаногенез, разложение основной части органического вещества эффлюента, которое может эффективно использоваться в составе удобрительных смесей, компостов, а также выбросы вредоносных газов в атмосферу из аппарата с аэробной микрофлорой.

В известной степени данные недостатки устранены в технологической схеме согласно патенту WО 2009112208, C02F 11/04. Органические субстраты (осадки и илы очистных сооружений) подвергаются обработке в метантенках, причем наименее поддающийся анаэробной обработке компонент (избыточный активный ил) подвергается предварительному гидролизу в условиях повышенных температур и давлений. Такое техническое решение позволяет ускорить процесс метаногенерации. Большая часть эффлюента метантенков подвергается центрифугированию, причем твердая фракция может быть использована для приготовления органических удобрений. Жидкая фракция подвергается доочистке посредством дополнительной обработки (аэрации) с целью подготовки к сбросу в водоем или использования в технических целях.

Основным недостатком данного технологического процесса является высокий уровень энергетических затрат на предварительную высокотемпературную обработку (гидролиз) субстрата.

Наиболее близким к заявляемому изобретению является техническое решение, представленное в кн. Гюнтер Л.И., Гольдфарб Л.Л. Метантенки. М.: Стройиздат, 1991, с.95, рис.33.

С целью снижения энергетических затрат на процессы гидролиза и нагрева исходного субстрата применяется комбинированная аэробно-анаэробная схема обработки. Исходный субстрат подается в аэробный биореактор, в котором в условиях интенсивной аэрации и перемешивания происходит растворение (гидролиз) и саморазогрев субстрата в процессе аэробного «дыхания» термофильной микрофлоры. В течение 0,5-1,0 суток температура возрастает до 50-60°С (для субстратов с концентрацией органического вещества свыше 35-45 кг/м³ ), что позволяет, помимо исключения стадии нагрева субстрата с использованием теплоносителя, достигнуть высокой степени надежности обеззараживания субстрата, а также сократить продолжительность обработки на анаэробной стадии (до 50%) за счет глубокого гидролиза органического вещества. При этом распадается до 10-15% исходного органического вещества.

Согласно технологической схеме прототипа предусматривается мезофильный режим анаэробной обработки, т.к. часть тепловой энергии нагретого до 50-60°С субстрата расходуется на подогрев исходного субстрата, поступающего в аэробный биореактор. Применение мезофильного режима не всегда может быть оправдано по санитарным соображениям. С технической точки зрения, такое решение является определенным недостатком, так как требуется дорогостоящая теплообменная аппаратура и снижается удельная производительность. Другим недостатком является достаточно низкая эффективность использования кислорода, содержание которого в отводимых газах достигает 12% (57% от исходного содержания по объему). Высокое содержание в газах насыщенных водяных паров приводит к значительным потерям тепловой энергии (до 30% от биологической энергии, генерируемой в процессе аэрации). Наличие в отводимых газах токсичных соединений приводит к загрязнению атмосферы. Конечный продукт аэробно-анаэробной обработки (эффлюент) подвергается разделению на фракции; при этом со сливной водой теряется значительное количество органических веществ и соответствующее количество биологической энергии.

Задачей предлагаемого изобретения является повышение эффективности процесса аэробно-анаэробной обработки органических субстратов за счет устранения вышеперечисленных недостатков прототипа.

В результате использования предлагаемого изобретения повышается степень использования кислорода, расходуемого на аэробные процессы, устраняются потери тепловой энергии с влажными отходящими газами и загрязнение атмосферы, исключается дорогостоящая теплообменная аппаратура, повышается степень использования биоэнергетического потенциала исходного субстрата.

Жидкая фракция эффлюента подвергается биологической очистке с использованием остаточного содержания кислорода в газах реакции процесса предварительной аэробной обработке, что позволяет после доочистки с использованием стандартных очистных установок в качестве сооружений доочистки получать техническую или пригодную для сброса в водоем воду. Твердая фракция используется для приготовления удобрений. Дорогостоящий регенеративный теплообменный блок исключается. Основная часть биогаза направляется на внешние нужды.

Технический результат достигается тем, что исходный субстрат подвергают предварительной аэробной обработке с получением гидролизованного и нагретого промежуточного субстрата и кислородосодержащих газообразных продуктов. Промежуточный субстрат подвергают анаэробной обработке с получением биогаза и обработанного субстрата (эффлюента). Эффлюент подвергают разделению на фракции, жидкую фракцию подвергают дополнительной аэробной обработке, выделяющуюся при этом тепловую энергию используют для стабилизации температурного режима предварительной аэробной обработки. Кислородосодержащие газообразные продукты вводят в аэрируемый объем жидкой фракции. Сгущенную фракцию используют для приготовления удобрений.

Технический результат достигается также тем, что устройство для биологической обработки концентрированных органических субстратов с получением удобрений, газообразного энергоносителя и технической воды состоит из гидравлически связанных друг с другом аэробного биореактора, анаэробного биореактора-метантенка, механического сгустителя. Устройство дополнительно оснащено аэротенком и смесителем для приготовления удобрений. Аэробный биореактор по крайней мере частично размещен в аэрируемом рабочем пространстве аэротенка, связанном с жидкостной частью механического сгустителя и газовой частью аэробного биореактора. Сгустительная часть механического сгустителя и газовое пространство аэротенка связаны со смесителем для приготовления удобрений.

Сущность предлагаемого изобретения поясняется фигурой, на которой представлена принципиальная технологическая схема реализации предлагаемого способа.

Согласно предлагаемому способу, исходный субстрат последовательно проходит стадии аэробной предварительной обработки и анаэробной переработки в эффлюент и биогаз. Эффлюент подвергается механическому разделению с получением пригодной для агротехнического использования твердой фракции (кека) и жидкой фракции. Жидкая фракция, характеризующаяся высокими значениями БПК_П (не менее 3-4 г/л) и взвешенных веществ (до 8 г/л), после отстаивания подвергается аэробной обработке, с_; утилизацией (до 30%) кислорода, не прореагировавшего с биомассойна стадии предварительной аэробной обработки субстрата. Осадок подвергается повторному механическому разделению. Полученный при анаэробной переработке биогаз поставляется внешним потребителям.

Одновременно утилизируется скрытая теплота водяных паров отходящих газов, величина которой может достигать до 20% от значения выделяющейся на аэробной стадии биологической энергии. Аппаратурно оба аэробных процесса интегрируются в единую технологическую систему, позволяющую маневрировать выделяющейся в ходе анаэробных процессов тепловой энергией. Дурнопахнущие вещества (газы), выделяющиеся на первой аэробной стадии обработки, абсорбируются и перерабатываются активным илом замыкающей аэробной стадии, парообразные остаточные выбросы из аэротенка поглощаются сгущенной фракцией и наполнителем в процессе приготовления удобрений. Явное и биологическое тепло жидкой фракции эффлюента используется для поддержания температурного режима аэробных процессов. В результате снижается степень аэробного распада исходного органического вещества, требующаяся для достижения необходимого нагрева исходного субстрата, и возрастает выход биогаза на последующей анаэробной стадии обработки. Избыточный активный ил, образовавшийся на замыкающей аэробной стадии, после уплотнения подается на анаэробную обработку и также перерабатывается в биогаз и эффлюент. Вода из аэротенка после доочистки и обеззараживания в типовых установках заводского изготовления может быть использована в технических целях или сброшена в водоем.

Устройство для реализации способа содержит анаэробный биореактор-метантенк 1, аэробный биореактор 2 для предварительной обработки субстрата, размещенный в аэрационной зоне 3 аэротенка 4 для аэробной обработки жидкой фракции эффлюента.

Аэрация и перемешивание субстрата в аэробном биореакторе 2 обеспечиваются насосом 5 и компрессором 6. Аэрация и перемешивание жидкой фракции эффлюента в аэротенке 4 осуществляется насосом 7 и струйными аэраторами 8 и 9. Вторичный отстойник 10, сблокированный с аэрационной зоной 3, служит для опускания активного ила и осветления очищенной воды. Илоуплотнитель 11 служит для повышения содержания сухого вещества избыточного активного ила до 4-5% перед анаэробной переработкой. Механический сгуститель 12 эффлюента может быть любого типа (центрифуга, винтовой пресс, комбинированное устройство), его эффективность поддержанию сухих веществ не должна быть ниже 50%. Жидкая фракция после механического сгустителя 12 направляется в отстойник 13 для дополнительного осветления, осадок из которого повторно направляется в механический сгуститель 12, а надосадочная жидкость поступает в аэротенк 4. Твердая фракция (кек) из механического сгустителя 12 поступает в смеситель 14 и смешивается с наполнителем. Готовое удобрение направляется для агротехнического использования в растениеводческом комплексе открытого или защищенного грунта.

Устройство работает следующим образом.

Исходный субстрат с влажностью 90-96% поступает в аэробный биореактор 2, в котором достигаются:

- гидролиз органического вещества;

- разогрев массы до термофильных температур 50-60°С.

- некоторое увеличение щелочности.

При этом часть исходного органического вещества распадается (на 10-15%).

Предварительная аэробная обработка субстрата осуществляется в условиях непрерывного перемешивания и аэрации посредством насоса 5 и компрессора 6. Температурный режим предварительной аэробной обработки отчасти поддерживается благодаря распаду остаточного органического вещества жидкой фракции эффлюента, подаваемой из механического сгустителя 12 и отстойника 13 в аэрационную зону 3 аэротенка 4. Дополнительно тепловая энергия вырабатывается при распаде исходного органического вещества. Непрореагировавший кислород из рабочего пространства аэробного биореактора 2, а также пары воды, дурнопахнущие газы (сероводород, меркаптаны и др.) подаются в камеру смешения струйных аэраторов 8 и 9. При этом дополнительно инжектируется воздух из атмосферы (в количестве до 2/3 от необходимой подачи по кислороду). Подача жидкой фракции на аэрацию осуществляется насосом 7. Подготовленный субстрат из аэробного биореактора 2 подается в анаэробный биореактор-метантенк 1, в котором перерабатывается в биогаз и эффлюент - обеззараженный и в значительной мере стабилизированный продукт, пригодный для агротехнического и иного полезного применения после сгущения в механическом сгустителе 12 до влажности 65-85%. Сгущенный эффлюент (кек) направляется в смеситель для приготовления удобрений, жидкая фракция поступает в аэротенк 4 для дальнейшей аэробной обработки (очистки), биогаз направляется для энергетического использования.

После удаления основной массы органических загрязнений (до 92% по БПК_П) и взвешенного ила во вторичном отстойнике 10 вода отводится на доочистку от остаточных загрязнений (не более 400-500 мг/л по БПК) и соединений азота, фосфора в аэрационных сооружениях стандартного типа.

Избыточный активный ил из вторичного отстойника 10 поступает в илоуплотнитель 11 и далее смешивается с исходным субстратом для переработки в биогаз и эффлюент. При реализации способа производительность метантенка по биогазу несколько снижается (по данным различных авторов до 10-15%, но не более 30%), но существенно снижаются и затраты на эксплуатацию устройства, нагрузка на окружающую природную среду (учитывая устранение прямой эмиссии вредных газов в атмосферу), сокращаются капитальные затраты на наиболее дорогостоящее оборудование - метантенк, возрастает надежность обеззараживания исходного субстрата.